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1、LED PROCESSAuthor：HT Service WelcomeJemyOUTLINE一、LED的分类 二、LED概念与发光原理解释三、LED制程工艺四、相关设备 五、LED应用市场及前景六、Dicing Saw IntroductionLED的分类按颜色可分为：红、橙、黄、绿、蓝等。其 中红、橙、黄、绿为传统色，蓝为新开发的品 种。由于三基色红、绿、蓝的存在，根据不同的 比例它们可以混合成自然界中所有色彩。故全彩 LED可以扩张其应用领域。按发光强度可分为：a.普通亮度LED（发光强 度100mcd）。按制作材料可分为：GaAs、GaAsP、AlGaInP 、 GaP、GaAsAlP
2、、GaN等。LED概念与发光原理解释什么是发光二极管？概念：半导体发光二极管是一类具有一定 量、一定成分之三五族材料，於輸入一定電壓 電流後，會發出一定波長，一定顏色，一定亮 度光的结构较简单的半导体发光器件。其发射 的波长覆盖了可见光、红外远红外。（通常 发光二极管是指发射可见光的二极管，发光光 谱为380780nm，为人眼所见。）LED工作原理、特性（一）LED发光原理 发光二极管是由-族化合物，如GaAs（ 砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓 ）、 AlGaInP （磷化铝镓铟）等半导体制成的， 其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特 性，即正向导通，反向截止、击
3、穿特性。此外， 在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压 下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。 这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能 量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理 。如图1所示。 （续 ）理论和实践证明，光的峰值波长与发光 区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 1240/Eg（mm） 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放 能量，大小为禁带宽度Eg，由光的量子性可知 ，hf= Eg h为普朗克常量,f为频率，据f=c/,可 得=hc/Eg,当的单位用um, Eg单位用电子伏特 （eV）时，上式为=1.24umev/Eg ，若能产 生可见光（波长在380nm紫光780
4、nm红光） ，半导体材料的Eg应在1.59 3.26eV之间。（续 ）（续 ）在此能量范围之内，带隙为直接带的III-V族半 导体材料只有GaN等少数材料。解决这个问题的一 个办法是利用III-V族的二元化合物组成新的三元或 四元III-V族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变 禁带宽度与带隙类型。由两种III-V族化合物（如GaP和 GaAs 、GaP和 InP）组成三元化合物固溶体，它们也是半导体材料 ,并且其能带结构、禁带宽度都会随着组分而变化， 由一种半导体过渡到另一种半导体。X的取值三元化合物Ga PX As 1-X禁带宽度波长与颜色X=0.2 Ga As 0.8P0.2 1.66eV
5、=747nm红色X=0.35 GaAs0.65P0.35 1.848eV=671nm橙色（续 ）由此可见，调节X的值就能改变材料的能级结构 ，即改变LED的发光颜色。此即所谓的能带工程。 LED制程工艺（红黄光系列）步骤内容前段前段主要是外延片衬底以及外延 层的生长中段中段主要包括：研磨、蒸镀、光 刻、切割等过程后段后段则是根据不同的需要把做好 的LED封装成各种各样的形式LED制程主要可分为三个阶段：前段、中段、后段（也称：上游 、中游、下游。专业术语则为：材料生长，芯片制备和器件封装。 ） 如下表所示：（续 ）N-GaP-SiAlGaAsGaInP-AlP-GaP-MgAuAuBeAuTi
6、AuAuAuGeNiNi右图为一颗四元系LED芯 片的结构，其中： P-GaP-Mg 、 GaInP-Al、 N-GaP-Si、 GaAs是前段工序完成后的产 品；而上面五层和下面四层则 是中段工序要做的工作。目前超高亮度发光二极管 红黄光系列用AlGaInP四元系 材料是性能最好的，其前段工 序的主要核心技术：MOVPE （有機金屬氣相磊晶法）。（续 ）上游成品（外延片 ）研磨（减薄、抛光）正面涂胶保护（P面）化学抛光腐蚀蒸镀（P面）蒸镀（N面）黄光室涂胶去腊清洗、库房去胶清洗清洗清洗涂胶前先涂光阻附着液LED 工艺光罩作业腐蚀金、铍合金蒸镀钛、铝（P面 ）套刻腐蚀铝、钛切割工序 半切 显影
7、、定影去胶清洗涂胶去胶清洗客户要求较高的中游成品 点测一 刀 切客 户 要 求 不 高送各封装厂显影、定影全切 切割融化此过程是将置放于石英坩锅内的块状原材料加热至其融化温度之 上，此阶段中最重要的参数为坩锅的位置与热量的供应，若使用较大 的功率来融化原材料，石英坩锅的寿命会降低，反之功率太低则融化 的过程费时太久，影响整体的产能。 颈部成长当融浆的温度稳定之后，慢慢的将晶种往上拉升，并使直径缩小 到一定(约6mm)，维持此直径并拉长10-20cm，以消除晶种内的排差 (dislocation)，此种零排差(dislocation-free)的控制主要为将排差局限 在颈部的成长。 晶冠成长长完
8、颈部后，慢慢地降低拉速与温度，使颈部的直径逐渐增加到 所需的大小。 晶体成长利用拉速与温度变化的调整来维持固定的晶棒直径，所以坩锅必 须不断的上升来维持固定的液面高度，于是由坩锅传到晶棒及液面的 辐射热会逐渐增加，此辐射热源将致使固业界面的温度梯度逐渐变小 ，所以在晶棒成长阶段的拉速必须逐渐地降低，以避免晶棒扭曲的现 象产生。 尾部成长当晶体成长到固定(需要)的长度后，晶棒的直径必须逐渐地缩小 ，直到与液面分开，此乃避免因热应力造成排差与滑移面现象。 LED Wafer 的成长切割：晶棒长成以后就可以把它切割成一片一片的，也就是Wafer。 磊晶：砷化镓磊晶依制程的不同，可分为LPE(液相磊晶
9、)、MOCVD(有机金属气 相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。LPE的技术较低，主要用于一般的发光二极管 ，而MBE的技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高，平整性好，但 量产能力低，磊晶成长速度慢。MOCVD除了纯度高，平整性好外，量产能 力及磊晶成长速度亦较MBE为快，所以现在大都以MOCVD来生产。其过程首先是将GaAs衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉（简MOCVD ，又称外延炉），再通入III、II族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物 ）蒸气与非金属(V或VI族元素）的氢化物（或烷基物）气体，在高温下，发 生热解反应，生成III-V或II-VI族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅
10、几 微米（1毫米1000微米）的化合物半导体外延层。长有外延层的GaAs片也 就是常称的外延片。外延片经芯片加工后，通电就能发出颜色很纯的单色光 ，如红色、黄色等。不同的材料、不同的生长条件以及不同的外延层结构都 可以改变发光的颜色和亮度。其实，在几微米厚的外延层中，真正发光的也 仅是其中的几百纳米（1微米1000纳米）厚的量子阱结构。反应式： Ga(CH3)3 +PH3= GaP+3CH4 N-GaP-Si基板（衬底 ）N-GaP-Si基板（衬底 ）GaInP-Al发光层基板（衬底 ） GaAsLED制程工艺N-GaP-Si基板（衬底 ）GaInP-Al发光层P-GaP-Mg蒸镀Au（P面）
11、蒸镀AuBe（P面 ）蒸镀Au（P面）蒸镀Au（N面）蒸镀AuGeNi（N面 ）蒸镀Ni（N面）蒸镀Au（N面）黄光室涂胶光罩作业掩膜版光 照显影、定影腐蚀金、铍去胶清洗蒸镀钛（P面）蒸镀铝（P面）套刻前涂胶光 照光罩作业（套刻）显影、定影腐蚀铝、钛Wafer半切Wafer全切切割 上视图经过封装后的LED高亮度发光二极管是国内刚起步的一个 新兴的行业，这里只是所有LED制作工艺中的 一种，不同的厂家都有自己独到的一套制作 工艺，各厂家所使用的设备都可能不一样， 各道工序的作业方式、化学配方等也不一样 ，甚至不同的厂家其各道制作工序都有可能 是互相颠倒的。但是万变不离其宗，其主要的思想都是 一
12、样的：外延片的生长（PN结的形成）-电 极的制作（有金电极，铝电极，并形成欧姆 接触）-封装。相关设备 用于LED光罩对准曝光微影制程。 该设备是利用照相的技术，定义出所 需要的图形，因为采用感光剂易曝光 ，得在黄色灯光照明区域内工作，所 以其工作的区域叫做黄光区单电子枪金属蒸镀系统 光罩对准曝光机 用于金属蒸镀（ITO，Al，Ti， Au，Ni，Mo，Pd，Pt，Ag）；金属 薄膜欧姆接触蒸镀 (四元LED，蓝 光LED，蓝光LD)制程。（续） 介电质薄膜厚度及折射率量 测 光谱解析椭圆测厚仪 高溫快速熱處理系統 雜質熱退火處理 金半接面合金處理（续）晶片研磨機晶片研磨機拋光機 晶片研磨（S
13、apphire、GaN、 Si） 晶片拋光 晶片研磨（GaAs、InP） 晶片拋光（续）切 割 机 Dicing Saw 用于中道工序Wafer的切 割。（续）贴膜机清 洗 机 用于Wafer切割前，把Wafer很 好的贴于切割用膜的表面。 用于Wafer切割后，把Wafer表 面经切割后留下的污物冲洗干净 。LED应用市场及前景发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于 1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可 连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它竞 争的。汽车市场：车用市场是运用发展最快 的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等 指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯
14、、转向灯、侧灯等。背光源市场：作为背光源已普遍运用 于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机 仪表盘等众多领域。交通灯市场：由于红、黄、绿光LED有亮度 高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的 需求大幅增加。厦门市自2000年采用第一座LED 交通信号灯后，如今全市100多座交通信号灯已 有近70更换为LED，上海市则明文规定，新上 的交通信号灯一律采用LED。 户外大屏幕显示：由于高亮度LED能产生红 、绿、蓝三原色的光，LED全彩色大屏幕显示屏 在金融、证券、交通、机场、邮电等领域备受青 睐。近两年，全彩色LED户外显示屏已代替传统 的灯箱、霓虹灯、磁翻板等成为主流，尤其是在 全球各
15、大型体育场馆几乎已成为标准配备。特殊环境和军事运用：由于LED光源具有抗 震性、耐候性，密封性好，以及热辐射低、体积 小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外 作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工 作环境之中。其它应用：LED还可用于玩具、礼品、手电 筒、圣诞灯等轻工产品之中，我国作为全球轻工 产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需 求。特点：低耗电、高亮度 、 高使用寿命 、可靠性高。LED草坪灯LED交通信号灯特点：耗电省、产生热量小 、寿命长、耐冲击，有红、黄 、绿、兰、白等多种发光颜色 ，能满足不同场合对发光色彩 的要求。 （续 ）特点：寿命长、节能 源、耐冲击、不易破 碎、交直流两用，可 代替传统的白炽灯。 LED水下射灯装潢效果图 采用超高亮LED器 件，无需滤色片，即 可生成所需颜色 。 多色彩：红、黄、 橙、绿、兰、白等。 下图为LED水下射 灯装潢效果图。LED水下射灯（续 ）LED汽车防雾灯LED汽车尾灯LED彩灯串 LED点阵显示屏 LED彩灯（续 ）THE ENDTHANKS一般我们把Dicing Saw 称之为砂轮划片机，因为这 种设备所用的刀片本身就是 一个微型的砂轮，其厚度
